于欣格團(tuán)隊(duì)攻克人機(jī)交互反饋難題發(fā)明“皮膚VR”

“Can you feel this？” “Um，yeah.” 這是科幻電影《頭號玩家》中男女主在游戲里跳舞時(shí)的一段對話，盡管是在虛擬世界，男主韋德也能夠感受到虛擬女主對自己的觸摸。

這主要得益于韋德身上的 X1 觸感套裝，穿上這套裝備，游戲世界里的一切觸覺都可以真實(shí)地作用在現(xiàn)實(shí)世界的韋德身上。在和女主跳舞時(shí)他甚至調(diào)侃 “I got the X1 haptic boot suit with microfiber crotch in that.” 斯皮爾伯格通過電影讓人們看到了 VR 應(yīng)用的更多可能性。但實(shí)際上，支持 X1 觸感套裝的背后技術(shù)在 2019 年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 這項(xiàng)被稱為 “皮膚 VR” 的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由海歸博士、香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程博士生導(dǎo)師、香港城市大學(xué) - 中科院機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任于欣格團(tuán)隊(duì)研發(fā)。 據(jù)他介紹，皮膚 VR 是一套輕柔、類皮膚、無線的觸覺反饋系統(tǒng)，可將傳統(tǒng)聽覺和視覺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)擴(kuò)展為多觸覺的感知。 簡單理解就是，通過皮膚 VR 技術(shù)，遠(yuǎn)在一千公里外的親友只需要 “敲一敲” 手機(jī)屏幕，你就能真實(shí)感受到對方的觸摸。 當(dāng)然這只是其中一個使用場景，于欣格表示，不僅在社交通訊和娛樂領(lǐng)域，皮膚 VR 在生物醫(yī)療、健康、傳感等諸多領(lǐng)域上有著非常重要的意義。

憑借該研究，于欣格入選 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國區(qū)榜單。獲獎理由是“他開發(fā)的無線的電子觸覺反饋系統(tǒng)皮膚 VR，可以實(shí)現(xiàn)多觸覺感知，獲獎人的研究向業(yè)界展示了柔性生物電子的無限可能。” 無線操控還原現(xiàn)實(shí)觸感，可產(chǎn)生類似手機(jī)振動的觸覺反饋 通過無線操控電子器件，皮膚 VR 可產(chǎn)生機(jī)械振動的觸覺，僅在一個 6 乘 6 英寸的大小的皮膚 VR 中，就集成 了 32 個振動反饋單元。

圖 | 具有 32 個獨(dú)立控制觸覺的設(shè)備示意圖（來源：于欣格）

“我們利用皮下機(jī)械感受器的敏感性，把頻率調(diào)節(jié)在人體容易感受的范圍內(nèi)，類似像手機(jī)振動就是明顯的觸覺反饋?！?于欣格說。 經(jīng)過設(shè)計(jì)后，每一個振動反饋單元可以被無線獨(dú)立控制，在其工作頻率下（200 赫茲）均為諧振模式，從而大幅提升了驅(qū)動效率，即反饋的及時(shí)性。 觸感的問題解決了，那么如何實(shí)現(xiàn)無線操控呢？ 于欣格將目光瞄準(zhǔn)了近場通信（NFC）技術(shù)，通過優(yōu)化電子工程與電路設(shè)計(jì)，他實(shí)現(xiàn)了利用諸如手機(jī)、平板電腦和筆記本等觸摸屏界面，即可無線控制皮膚 VR 的觸覺驅(qū)動，并能將對應(yīng)的形狀力度等觸覺感知信息傳遞到佩戴者身上。

圖 | NFC 電子和電路原理圖

目前，用在皮膚 VR 上的 NFC 通信工作距離可以延展到近 1 米。針對產(chǎn)品的外在形態(tài)，于欣格給出了兩種解決方案：一種是類皮膚形態(tài)，可以舒適地貼附在身體各個部位，低模量的軟硅膠可用于封裝和提供與皮膚間的粘附力，不借助膠帶或綁帶就能自由穿戴在身上；另一種是通過織物形式做成我們?nèi)粘Ｉ钪写┐鞯妮p薄外衣，隨時(shí)穿戴在身上。 “只要有需要，皮膚 VR 可以是任何形態(tài)?！?于欣格表示。

圖 | 表皮 VR 設(shè)備在彎曲、折疊和扭曲（來源：于欣格）

值得注意的是，皮膚 VR 無需電池驅(qū)動，采用無線射頻供電。而為了解決無線充電的距離限制，其團(tuán)隊(duì)采用特殊的系列電路電子設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) VR 系統(tǒng)在一個 10 平房間內(nèi)的無線供電。 可用于新冠監(jiān)測，幫助醫(yī)護(hù)人員提升檢測安全度和精準(zhǔn)度 除通訊和娛樂的應(yīng)用之外，皮膚 VR 在生物醫(yī)療、健康、傳感等諸多領(lǐng)域上也有著非常重要的意義。

于欣格列舉了皮膚 VR 與醫(yī)療結(jié)合的三個應(yīng)用場景： 一．醫(yī)療檢測。以目前的新冠檢測為例，于欣格認(rèn)為如果將皮膚 VR 技術(shù)應(yīng)用到新冠病毒檢測環(huán)節(jié)，將能大幅保障醫(yī)護(hù)人員檢測過程的高效性和安全性。 現(xiàn)有的采樣機(jī)器人或采樣設(shè)備，雖然能在一定程度上保證醫(yī)患隔離，但在精準(zhǔn)度及體驗(yàn)感上很不好。如果醫(yī)生通過遠(yuǎn)程控制搭載了皮膚 VR 系統(tǒng)的采樣機(jī)器人，完成遠(yuǎn)程篩查采樣，那么采樣過程中 VR 系統(tǒng)就會對力度、精準(zhǔn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，一方面可以提升醫(yī)護(hù)人員的檢測效率，減少其暴露風(fēng)險(xiǎn)；另一方面也可減少被檢測者的不適感。 二．健康監(jiān)測。通過皮膚 VR 可用于收集人體的健康生理信號的變化，通過采樣處理可以及時(shí)分析出佩戴者的健康狀況以及潛在疾病發(fā)作危險(xiǎn)，進(jìn)而通過如聲音、壓力等物理刺激通過皮膚電子驅(qū)動器把有用的信息施加給人體，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互在虛擬和現(xiàn)實(shí)場景中的完美融合。

三．遠(yuǎn)程手術(shù)。皮膚 VR 的反饋機(jī)制也為醫(yī)生實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)手術(shù)提供了技術(shù)支持。醫(yī)生在手術(shù)的過程中可以根據(jù)及時(shí)反饋來調(diào)整力度。 四．知覺恢復(fù)。皮膚 VR 還可幫助殘疾患者通過佩戴義肢恢復(fù)受傷部位的感知。 基于柔性傳感和反饋于一體的皮膚 VR 系統(tǒng)與醫(yī)療領(lǐng)域的結(jié)合還有很多的可能。于欣格預(yù)言，未來 3-5 年柔性電子技術(shù)將會有一個顛覆性的產(chǎn)品出現(xiàn)。 傳感 + 反饋一個都不能少，打造人機(jī)交互完整閉環(huán)

不同于傳統(tǒng)可穿戴電子皮膚更注重傳感功能，人機(jī)交互是目前全球可穿戴電子皮膚的研究弱項(xiàng)。于欣格認(rèn)為，開發(fā)具有完整閉環(huán)的柔性傳感與反饋系統(tǒng)尤為重要。 人機(jī)交互技術(shù)包括傳感器（sensor）和反饋器（actuator），傳感器用來感受外部信息，然后把信息以數(shù)字化形式體現(xiàn)出來，概括來說這是一個把敏感信號轉(zhuǎn)化成電信號的過程。日常生活中傳感器也很常見，包括溫度計(jì)，智能手環(huán)、智能手表等。 反饋器則恰恰相反，其需要把接收到的電信號轉(zhuǎn)化成力學(xué)、熱學(xué)等其他形式。以觸覺反饋為例，當(dāng)別人觸摸你身體的時(shí)候，你會做出反應(yīng)如動作、語言、情緒等形式，這些反應(yīng)發(fā)生的過程就是反饋信息的過程。 “這就類似在游戲中，你的角色和別人對打，對方打你一下，你感受到了他傳遞給你的攻擊信息，并對這種攻擊信息作出反饋，你回打?qū)Ψ揭幌拢@個有來有回的過程構(gòu)成了一個傳感閉環(huán)。”于欣格舉例說。 但是，反饋過程中轉(zhuǎn)化形式的復(fù)雜性大大增加了對反饋器的技術(shù)要求，這也導(dǎo)致該領(lǐng)域研究一直停留在 “電刺激” 的階段，難以找到新突破。 基于此，于欣格開發(fā)了無線、無源供電的超薄可穿戴柔性電子作為傳感和反饋界面，可應(yīng)用在社交媒體、游戲、義肢控制與反饋等領(lǐng)域中。

“意外” 攻克的柔性電子反饋難點(diǎn)

2009 年，于欣格本科畢業(yè)于電子科技大學(xué)，后繼續(xù)在該校讀研，碩士階段主要從事光電子器件的研究。 2011 年 - 2015 年，于欣格于美國西北大學(xué)開啟了博士生涯，期間主要從事柔性金屬氧化物的柔性化與大規(guī)模打印的研究。讀博期間，他提出了采用溶液打印法合成柔性金屬氧化物薄膜以及其柔性器件的制備，并實(shí)現(xiàn)了可媲美真空物理沉積的金屬氧化物半導(dǎo)體器件。

隨后，于欣格赴美國伊利諾伊大學(xué)香檳 - 厄巴納分校從事博士后研究，在此期間他發(fā)現(xiàn)，柔性電子器件的特殊性能解決很多醫(yī)療問題，這也成為了他日后主要的研究方向。在此期間，于欣格首次將柔性病理探測鎮(zhèn)，用于人類肝癌惡化腫瘤的精準(zhǔn)檢測與定位，大幅提升了腫瘤病理活檢的成功率。 2018 年，于欣格回到中國，任職香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授。在此期間，他發(fā)表了系列柔性電子技術(shù)相關(guān)研究論文，并被收錄在 Nature、Nature Communications 和 Science Advances 等期刊上。 回顧自己的研究之路，他坦言，“也說不上什么契機(jī)就開始研究柔性電子技術(shù)，只是發(fā)現(xiàn)研究這個領(lǐng)域的人很多，但大家好像都卡在反饋器這個環(huán)節(jié)上了?！?這讓他看到了行業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)，也看到了未來的機(jī)會。其表示：“只要解決了反饋這個技術(shù)難題，柔性電子技術(shù)將迎來巨大的增長空間?！?/p>

說來也是巧合，一次在做傳感器的過程中，其團(tuán)隊(duì)為解決市面上已有傳感器對特定系統(tǒng)不穩(wěn)定、不適配的問題，決定重新開發(fā)一個新傳感器，這次團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑采用了比較傳統(tǒng)的機(jī)械震動方式做傳感器，后來在實(shí)際工作中顯示了這種 “古老” 的配置效果也還不錯。 受此啟發(fā)，于欣格打開了思路，決定用同樣的方式做柔性電子的反饋器，結(jié)果就成了。這樣的 “意外” 其實(shí)與其長久以來深耕一線研究息息相關(guān)。 關(guān)于未來，他透露自己將繼續(xù)沿著智能化柔性電子器件的方向深入，包括柔性傳感器與觸覺反饋器的開發(fā)與研究，集成化智能皮膚電子的設(shè)計(jì)與研究，以及這些器件在人機(jī)交互中傳感、反饋和通信等方面的系統(tǒng)研究。

原文標(biāo)題：34歲海歸博士攻克人機(jī)交互反饋難題，發(fā)明“皮膚VR”！實(shí)現(xiàn)跨距離真實(shí)“觸摸“，無需電池驅(qū)動

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